JP4948834B2 - 耐食被覆用合金及びこれを被覆した部材 - Google Patents
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従来のクラッド部材には次のようなものがある。
(1) 鋼材に高耐食性のセラミクス(例えばアルミナ)をプラズマやHVOFなどで溶射した構造
(2) 普通鋼管に高耐食性の肉盛材料(例えばインコネル625など)を溶接肉盛した肉盛構造
(3) 鋼材にNi基などの自溶合金を溶射等によって付着させ、更に溶融処理を施して緻密な無気孔層とした肉盛構造
(1)は特許文献1に開示されている。
(2)は特許文献2に開示されている。
(3)は特許文献1と3に開示されている。
(1)のセラミック溶射の問題点は、
1. 溶射による弱い接合であり、また外層の溶射層と内層の普通鋼管の熱膨張率が大きく異なるため熱応力によるクラックの発生や剥離の危険性が高く、
2. 溶射層内は気孔を内包するポーラスな状態であり、塩化水素ガスや溶融塩が溶射層内に侵入し、内層の普通鋼管を激しく腐食する危険性を伴うことである。
(2)の溶接肉盛の問題点は、
1. 例えば長尺のパイプでは大きな曲りが生じるなど、大入熱起因の大きな歪が生じやすく、これを防ぐために施工コストが嵩み、
2. 溶接肉盛では、内層の普通鋼管と肉盛層の境界部分で普通鋼管成分と肉盛成分の希釈層が形成されるため、所定成分の肉盛層を所定厚さに形成するためには、希釈層の厚さの分、余計に肉盛する必要があり、この結果コストが高くなり、
3. 特にインコネル625を代表とする超合金の溶接肉盛では材工ともにコストが高い、ことである。
(3)の溶射溶融肉盛の問題点は、被覆材料である自溶合金自体の耐食性がアルミナやインコネルには及ばず、特に、スーパーヒーターのような厳しい用途における耐久性が不足することである。
すなわち、
1.ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガスによる腐食性雰囲気での使用に供される耐食被覆を形成するための合金であって、
B:0.5〜1.7質量% Si:6〜25質量%
Cr:≦40質量% Fe+Co:≦15質量%
Mo+1/2W:≦20質量%
C:≦3.0質量% Al:≦1質量%
V+Nb+Ta:≦10質量% Cu:≦3質量%
残余Niと不純物
からなることを特徴とする耐食被覆用合金。
2.ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガスと溶融塩が共存する腐食性雰囲気での使用に供される耐食被覆を形成するための前記1に記載の耐食被覆用合金。
3.前記1または2に記載の耐食被覆用合金が、普通鋼または低合金鋼もしくはステンレス鋼から成る基材に被覆された構造からなることを特徴とするごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
4.前記3に記載の部材からなる、ごみ焼却炉内に配置されているスーパーヒーターの熱交換チューブ。
5.前記3に記載の部材からなる、ごみ焼却炉内の排気部に配置されているスクリーンチューブ。
6.前記3に記載の部材からなる、ごみ焼却炉の炉壁パネル。
(1) 塩化水素を含む雰囲気、更には溶融塩の共存する腐食性雰囲気に対して優れた耐食性を有する。
(2) 全厚超合金部材に比べて安価であるのは無論のこと、超合金クラッド部材と比べても材工ともに安価である。
炉内ではごみ焼却によって灰が発生する。ごみの燃焼熱を熱交換回収して利用するシステムのうち、ごみ発電を典型例とする、過熱蒸気(沸点超の温度に加熱された水蒸気)の形で熱を回収するシステムでは、ボイラ部から送られた沸点以下の温度の水蒸気を更に加熱するためのスーパーヒーター(過熱部)が設けられている。このスーパーヒーターにも熱交換チューブ(これもボイラチューブと通称される)が配備されていて、その出側寄りの部位は、炉内で最も温度の高い(例えば550〜650℃)場所であり、発生した灰は溶融して溶融塩が生成する。溶融塩はスーパーヒーターの熱交換チューブ表面に付着する。
本発明で言う「ごみ焼却炉内腐食性雰囲気」とは、塩化水素を含む腐食性ガス雰囲気、および更に雰囲気温度が高くなって灰が溶融して塩化水素ガスと共存し、溶融した灰(溶融塩)がボイラーチューブ表面に付着する雰囲気、この両方の雰囲気を指している。
なお、以下において「%」は「質量%」を意味する。
B:0.5〜1.7% Si:6〜25%
Cr:≦40% Fe+Co:≦15%
Mo+1/2W:≦20%
C:≦3.0% Al:≦1%
V+Nb+Ta:≦10% Cu:≦3%
残余Niと不純物
Siも必須成分で、耐食性を高め融点を下げる元素として極めて重要な元素である。
下限値未満では良好な耐食性が得られない。上限値を超えて添加しても耐食性は変わらないうえ、上限を超えると合金が極めて脆くなるので、好ましくない。最も好ましい範囲は、10〜20%である。
Niは基地成分として必須の元素である。
このように、本発明被覆用合金にあってはNi基地に対する必須成分Si、Bの配合量がSiについては自溶合金を上回っている一方、Bについては自溶合金を下回っている。
Fe、CoはNiの代替えとして使用できる成分で、合計15%まで使用できる。上限を超えると耐食性に問題が発生することがあるので好ましくない。
Mo、W、Al、Cu、は、本組成の合金では必須の成分ではないが、腐食性ガス及び溶融塩腐食以外の腐食特性の改善に効果がある。
Mo+1/2Wで20%まで、Alは1%まで添加しても良い。Cuは3%まで添加しても良い。Mo、W、Al、の上限を超える添加は、合金の溶解、鋳造性を悪くするので好ましくない。またMo、W は融点を高くするので好ましくない。Cuの上限を超える添加は、合金を脆くするので好ましくない。
V、 Nb、Taは合金中のC、N、Bの害を固定するのに使用されるが、上限を超える添加は、合金の溶解、鋳造性を悪くするので好ましくない。
Mnは≦1%が好ましい。上限を超える添加は耐食性を劣化させるため好ましくない。
Cは合金の溶解、鋳造性をよくする元素であるが多量の添加は耐食性を害するので3%以下が好ましい。
不純物はP、S、O、Mg、Ca、Y、Ce等の元素である。
P、S、O、Mg、Ca、Y、Ce等の元素は0.1%以下が好ましい。上限を超える添加は耐食性を劣化させるため好ましくない。
図1は本発明ごみ焼却炉部材の中でもつとも腐食が激しいスーパーヒーターのボイラーチューブの基本的な構造の説明図である。
図1で、基材1は普通鋼、低合金鋼、あるいはステンレス鋼などの鋼材からなる。
肉盛層2は本発明の耐食被覆用合金を溶射し更に溶融処理を施した肉盛層である。
肉盛層2の両端部に隣接する肉盛層3は、高耐食性の肉盛材料(インコネル625といったNi基あるいはFe基の超合金など)を溶接肉盛した肉盛層である。
肉盛層2、3は共に基材1との間に金属結合を生じる形で基材1と複合され且つ連通気孔などがない緻密な被覆層となっているため、腐食環境に曝されるのは高耐食性の肉盛層2、3のみで基材1は腐食環境から確実に遮断されており、耐食性、基材防食性共に十分である。加えて、上記複合形態により、機械的にも極めて堅牢な被覆部材となっている。
肉盛層2は、溶接肉盛層3に融着している。そして、肉盛層2と溶接肉盛層3は、同じ使用環境下における耐食寿命が同等になるように成分組成や実効厚さが調整されている。これは、どちらか一方が耐食寿命を顕著に支配することを回避するためである。
二本のパイプの接続は溶接接続によって容易に行うことができる。液相拡散接合、圧接、ネジ接続などの他の接続手段も状況に応じて利用されてよい。
基材が鋼管の場合を例にとって説明する。
まず、基材鋼管の外面の両端部分に、前記の超合金を溶接肉盛して肉盛層3を形成する。
溶接による肉盛層3は、基本的には、鋼管外面の両端部に数十mmのパイプ長さ方向寸法を以て肉盛する。
肉盛層3の厚さは、溶接後、鋼管外面から2〜3ミリ程度盛り上がった状態で厚さが確保できればよいが、溶接肉盛では鋼管との間で希釈層が存在するので、実際の溶接では、溶接肉盛による溶接金属層から希釈層の厚さを引いた残厚さが1ミリを超えるようにしなくてはならない。
図2は上記溶接肉盛によって鋼管の両端部に超合金による堰(肉盛層3)が形成された状況を説明した図である。
インコネル625、インコネル725、インコロイ825、インコロイ925、ハステロイC、ハステロイC-276合金とは、市販されている合金の商品名で、下記の組成である。
1. インコネル625
Ni:Bal. Cr:20.5〜22.5% Mo:8.0〜10.0% Fe:2.0〜3.0%
Si:≦1.0% Mn:≦1.0% その他(Nb+Ta):3.4〜3.8%
2. インコネル725
Ni:Bal. Cr:20.0〜22.0% Mo:8.0〜9.0% Fe:7.0〜8.0%
Ti:1.3〜1.7% Si:≦1.0% Mn:≦1.0% その他(Nb+Ta):3.3〜3.7%
3. インコロイ825
Ni:Bal. Cr:20.5〜22.5% Mo:2.0〜2.4% Fe:29.0〜31.0%
Cu:2.0〜2.4% Si:≦1.0% Mn:≦1.0% その他(Ti):0.8〜1.0%
4. インコロイ925
Ni:Bal. Cr:20.0〜22.0% Mo:2.0〜4.0% Fe:27.0〜29.0%
Cu:1.6〜2.0% C:≦0.01% その他(Ti):2.0〜2.2%
5. ハステロイC
Ni:Bal. Cr:15.5〜17.5% Mo:16.0〜18.0% W:3.75〜5.25%
Fe:4.5〜7.0% Co:≦2.5% Si:≦1.0% Mn:≦1.0%
C≦0.12% V:≦0.35%
6. ハステロイC-276
Ni:Bal. Cr:14.5〜16.5% Mo:15.0〜17.0% W:3.0〜4.5%
Fe:4.0〜7.0% Co:≦2.5% Si:≦0.05% Mn:≦1.0%
C≦0.02% V:≦0.35%
1.ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材全鋼種:
JIS SNCM220、240、415、420、431、439、447、616、625、630、815。
2.クロムモリブデン鋼鋼材全鋼種:
JIS SCM415、418、420、421、430、432、435、440、445、822。
3.ニッケルクロム鋼鋼材全鋼種:
JIS SNC236、SNC415、SNC631、SNC815、SNC836。
4.H鋼全鋼種:
SMn420H、SMn433H、SMn438H、SMn443H、SMn420H、SMn443H。
SCr415H、SCr420H、SCr430H、SCr435H、SCr440H。
SCM415H、SCM418H、SCM420H、SCM435H、SCM440H、SCM445H、SCM822H。
SNC415H、SNC631H、SNC815H。
SNCM220H、SNCM420H。
5.ステンレス鋼全鋼種:
JIS SUS201、202、301、302、303、304、305、309S、310S、316、317、
405、430、434、403、410、416、420J1、420J2、431、440。
6.その他:STBボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管等
STB340-S-Cボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管の化学成分(%)
C :≦0.18、Si:≦0.35、Mn:0.30〜0.60、P :≦0.035 、S :≦0.035
内層普通鋼管を外径φ42.7mm、内径φ32.7mm、長さ500mm に加工した。
端部両端にインコネル625 相当のNi基合金を肉盛溶接(肉盛高さ2.0mm )した。
パイプを横に寝かせ、回転させながら、ガス炎溶射により表1の組成の合金粉末を溶射吹き付けした後、誘導加熱により溶融処理を行った。
本発明組成の合金は、いずれも、炭素鋼に対して優れた濡れ性、融着性を有し、融着不良は観察されなかった。被覆層厚さは1.8 〜2.1mm でほぼ一定であった。又いずれのものもパイプ表面にクラックやその他の欠陥は認められなかった。
2‥‥溶射溶融肉盛層
3‥‥溶接肉盛層
Claims (6)
- ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガスによる腐食性雰囲気での使用に供される耐食被覆を形成するための合金であって、
B:0.5〜1.7質量% Si:6〜25質量%
Cr:≦40質量% Fe+Co:≦15質量%
Mo+1/2W:≦20質量%
C:≦3.0質量% Al:≦1質量%
V+Nb+Ta:≦10質量% Cu:≦3質量%
残余Niと不純物
からなることを特徴とする耐食被覆用合金。 - ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガスと溶融塩が共存する腐食性雰囲気での使用に供される耐食被覆を形成するための請求項1に記載の耐食被覆用合金。
- 請求項1または請求項2に記載の耐食被覆用合金が、普通鋼または低合金鋼もしくはステンレス鋼から成る基材に被覆された構造からなることを特徴とするごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
- 請求項3に記載の部材からなる、ごみ焼却炉内に配置されているスーパーヒーターの熱交換チューブ。
- 請求項3に記載の部材からなる、ごみ焼却炉内の排気部に配置されているスクリーンチューブ。
- 請求項3に記載の部材からなる、ごみ焼却炉の炉壁パネル。
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